第三章-位错强化机

第三章位错强化机制本章的核心问题是：f目录第一节金属单晶体变形的一般特点第二节位错增值机制第三节位错强化的数学表达式第四节应变速率与位错运动速率之间关系第五节应变强化的应用及特点第六节孪生的位错机制第一节金属单晶体变形的一般特点一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征1、FCC（1）滑移系较多：有12个滑移系110{111}；PPWd（2）；dTdWP无冷脆现象（适合于作为低温材料使用）；（3）塑性好！PW易于形成弯折对位错易呈弯折状低温塑性好；低温下位错可动性大（4）dd蠕变速率降低（适合于作为高温材料）。刃型位错难于攀移↑（易于产生加工硬化）；螺型位错难于交滑移易于形成扩展位错（除Al、Ni外）（层错能）↓（5）2、BCC（1）滑移系较多：有24个滑移系111{110}，111{112}PPWd（2）有冷脆现象；塑性好！dd蠕变速率降高（不适合于作为高温材料）。刃型位错易于攀移↓（难于产生加工硬化）；螺型位错易于交滑移难于形成扩展位错（层错能）↑（5）塑性不如FCC好！（3）dTdWP位错易呈直线状；难于形成热激活弯折对（4）PW一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征3、HCP塑性差（如Zn、Cd）；易于形成扩展位错↓3）（1）c/a1.633时——1）只有基面滑移，滑移系少：}0001{02112）强度较低；PPWddd↑（易于产生加工硬化）；塑性好（如Ti、Zr）；难于形成扩展位错↑3）（2）c/a1.633时——1）滑移系增多：dd↓（易于产生交滑移）。}0001{0211}0110{0211}1110{0211——基面滑移系——棱柱面滑移系——棱锥面滑移系2）强度较高；PPWd一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征二、金属单晶体的加工硬化行为ⅠⅡⅢ金属单晶体的应力-应变曲线1、易滑移阶段2、线性硬化阶段3、抛物线滑移阶段单系滑移的结果38/10mcm＝双滑移的结果312～11/10＝mcm交滑移的结果313～12/10＝mcmf现象：第二节位错增值机制一、位错增殖的概念那么，随着的增大，位错密度是增大还是减小？↑本节的内容就是要回答：为什么？是什么？是应变，代表着晶体的变形量。塑性变形是如何实现的？位错滑移；增大。为什么会增大？因为随着↑，晶体开动的位错源数量增多滑移系增多，从而保证了↑不同位错源释放出位错之间交互作用：阻碍位错运动。位错塞积或缠结形成位错锁二、位错源的种类及增殖机制1、Frank－Read源核心是：一段两端固定的位错线，在外力作用下会不断释放出位错圈。LGbC当外加切应力足够大时，会形成两个蜷线位错蜷线合并，释放出位错圈（2）所需的临界切应力有多大？（1）作用在位错线上的力总是垂直于位错线C当时，位错就增值。rGb2关键是克服线张力造成大阻力：2LrC临界状态时：硅晶体中的Frank-Read源（位错图修饰技术进行加工）Dash,1957,DislocationMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley二、位错源的种类及增殖机制（1）对于单晶体变形的几个阶段：（2）晶体塑性变形过程（3）与的关系③交滑移阶段：①易滑移阶段：②双滑移阶段：只有位错源释放出了更多的位错，使↑，但↑幅度不大；两个滑移系中的位错源开动，位错形成塞积或缠结；增大到可以使螺型位错产生交滑移时，↑很小，↑也很小。1、Frank－Read源①Frank－Read源开动:②位错塞积:③滑移面上的Frank－Read源开动CC应变并不是由位错密度决定的。是由位错运动决定的。二、位错源的种类及增殖机制（1）双交滑移机制（以面心立方为例）AB(d)(d)(C)+-(d)(C)+-(d)(d)(C)+-(d)即，经过两次交滑移，形成了位错源。①（d）面上有一螺型位错受阻；②受阻部分交滑移到（c）面上，形成割阶；③脱离障碍的位错又滑移到（d）面上；④割阶成为束缚点，形成Franr－Read源。2、其它增殖机制（2）极轴机制二、位错源的种类及增殖机制1b2b1b2b1b2b3b2b1b1b极轴位错：右螺的林位错；2b扫动位错：可动的位错;极轴位错垂直于扫动位错所在的平面。①扫动位错与极轴位错相遇，交点为障碍；②扫动位错绕极轴位错回转，扫动两臂分开；③经过几次回转后，形成如图所示的组态：扫动后的区域发生切变，形成孪晶、马氏体相变等转变。在外力作用下：2、其它增殖机制（3）双极轴机制二、位错源的种类及增殖机制3b2b3b1b1bAB2bBA扫动位错：；213bbb①;③平行的滑移面上留下一串位错环。213bbbBA②不断上升；双极轴：一对符号相反的螺型位错为林位错；扫动结果：滑移面以林位错垂直；2、其它增殖机制第三节位错强化的数学表达式这一节的核心问题就是如何估算流变应力。一、流变应力的概念流变应力是指金属晶体产生一定量塑性变形的所需要的力。二、位错运动阻力的估算1、位错运动阻力的来源）（－b4exp12GP（1）P-N力：（2）线张力引起的阻力（5）位错锁的阻碍作用；（定性表达）；LGbC＝（Franr-Read源开动阻力：）；（3）位错长程弹性交互作用引起的阻力；（4）位错交截形成割阶的阻碍作用；二、位错运动阻力的估算条件：有两个竖直排列的同号刃型位错，间距为L；有同类型的刃型位错欲从这两个位错中间穿过；求：位错间弹性交互作用对位错运动的阻力有多大？2、位错长程交互作用引起的阻力LLLxFxy1y2y6y5y4y3y722222x)()(12bGbLFyxyxx）－（＝解：应用公式——LLLLyxyxxax114Gb)2()2(LL12Gb)()(12bGbLF222222222222mx）－（）－（）－（＝）（LLLax222mxGb4113112Gb112GbLF）－（）－（＝）（（1）滑动位错从远处滑向位错对中间时：x＝2y时作用力最大：则两个同号位错对滑动位错的共同作用力为：二、位错运动阻力的估算LLxFxy1y2y6y5y4y3y72、位错长程交互作用引起的阻力二、位错运动阻力的估算LLLLLLyxyxxax114Gb)2()4()2()4(412Gb)()(12bGbLF222222222222mx）－（－＋）－（）－（＝）（（2）滑动位错从位错对中间滑向远处时：x＝0.5y时作用力最大：则两个同号位错对滑动位错的共同作用力为：LLLax222mxGb4113112Gb112GbLF－）－（－）－（＝－）（各种情况下总的作用力可以表达为：Lax2mxGbLF＝）（LGb＝LLxFxy1y2y6y5y4y3y72、位错长程交互作用引起的阻力二、位错运动阻力的估算3、形成割阶的阻力1b2b3b123L31b2b3b12L求：割阶形成的阻力多大？条件：一个刃型位错通过两个林位错，形成两个割阶；dLkk)W(2W2解：两个割阶的形成能为：dGbdGb22)1(42yLFdLLFyW当运动位错通过林位错时，位错线在垂直方向上有d的位移，即相当于使位错线L移动了d的距离。则外力所作的功为：bLFydLbWdGbdLb2LGb即：二、位错运动阻力的估算21条件：BE＝2x；位错线每段长度均为L，；W1——原位错线单位长度上的能量；W2——会合位错线单位长度上的能量；BEL2x12求：拆开会合位错所需外力有多大？解：设在外加切应力作用下，BE段缩短了2dx，四段位错线相应移动了kdx。其能量变化为：212)cos4(WdxWdxdEφkdxlbdW4外力所作的功为：kdxlbdxWW4)2cos4(21φkdxlbGb421)2cos4(2φ22121GbWW设，则有：dxWW)2cos4(21φlGbk41cos2φlGb21l对于其它几种阻力，也可以近似得到这种形式的表达式，只是L的意义有所差异。总的来说:4、会合位错的阻碍作用三、流变应力的表达式2102142132122110GbGbGbGbGbff210Gbf所以，总体上可以把大量位错的阻力表达为：这个公式非常重要，在讨论加工硬化行为时常用，必须熟悉。0其中：－P-N力；21l。第四节应变速率与位错运动速率之间关系——Orawan公式推导一、Orawan公式bm＝－平均取向因子（Schmid因子），；mcoscosm－滑移方向与拉伸轴夹角。－滑移面与拉伸轴夹角；－位错运动的平均速率；－可动位错密度；b－柏氏矢量；－应变速率；其中，二、Orawan公式的推导bbxy1X首先取单元体，研究变形与位错密度的关系。1、当位错移动单位长度时，平均塑性切应变为：bxxbxy12、若一个位错移动的距离为x时，则晶体顶部相对于底部的切应变为：xbxy3、当位错线的密度为时，即单元体内有个位错。且假设位错线与单元体平行，滑移面平行于单元体底面。则个位错平均移动距离为x时，引起的平均应变为：4、如果位错滑移面与单元体底面不平行，则引入取向因子m：xbmxyxbmxy5、在一般情况下，计算位错运动引起的切应变时，①应当引入平均取向因子m；②求出位错在x方向上的平均移动距离x；bmdtxdbmdtdxy对时间取微分：三、Orawan公式的重要性2、在一定时，可以用来讨论与之间的关系；1、把宏观变形行为与微观位错特性联系起来；n0＝与结合起来，可以解释屈服现象。具有明显屈服点的材料应具备以下三个条件：变形开始前晶体中可动位错密度低；随着塑性变形的发生，位错可迅速增殖；具有相当低的n值。－有效切应力；0－与单位运动速率相应的切应力；n－材料常数，称为应力敏感指数，反映的是位错运动对应力的敏感程度。三、Orawan公式的重要性材料在塑性变形开始时，应力突然下降，然后随着塑性变形的进行，应力基本保持不变，这种现象被称作物理屈服。（1）物理屈服现象3、物理屈服现象的解释上屈服点下屈服点（2）实际屈服现象的获得特定的拉身条件：夹头的运动速度恒定，即试样总的变形速度不变；拉伸时试样的应力是靠弹性变形产生的；试样的变形是靠弹性变形和塑性变形共同产生的。没有塑性变形，夹头均匀运动，弹性变形均匀增大，应力均匀升高；弹性变形阶段：塑性变形阶段：弹性变形速度下降，应力增加缓慢：（3）物理屈服的机制三、Orawan公式的重要性①物理屈服开始时，应力下降的原因②在屈服伸长变形时，出现锯齿现象的原因需要强调的是，n值必须较小。只有n值较小时，的增大需要值迅速增大；的减小可导致值明显降低。塑性变形开始后，位错源开动，位错迅速增值。值增大，值可以降低，因而外加应力可以下降。这就形成了屈服开始后应力陡降的现象。塑性变形一旦开始，首先开动即存位错，位错密度不会增加，只有增大位错运动速率